背景技術(shù):
本發(fā)明一般地涉及保證電池組(battery)的安全且高效的操作。更特別地,本發(fā)明涉及一種用于在電池組被安裝在其操作環(huán)境中時(shí)不斷地保證電池組具有令人滿意的健康狀態(tài)(soh)的方法。
電池組的soh隨著使用和隨著時(shí)間的推移而降級(jí),因?yàn)殡姵亟M中的單獨(dú)電池(cell)隨著使用和隨著時(shí)間的推移而失去其儲(chǔ)存和輸送電能的能力。但是,電池組操作電壓范圍即使隨著電池組的容量中的降級(jí)也仍保持相同。因此,雖然電池組可能表面上看起來(lái)處于令人滿意的操作狀況中,但電池組事實(shí)上可能接近故障。在某些實(shí)例下,此類故障可能產(chǎn)生僅缺少電池組的性能以外的問題。例如,因?yàn)殡姵亟M中的單獨(dú)電池不相同,所以單獨(dú)電池可能隨著時(shí)間和使用以不同的速率降級(jí)。這可導(dǎo)致被稱為電池不均衡的狀況。具有降級(jí)的電池的電池組仍可輸送期望的輸出。然而,(一個(gè)或多個(gè))降級(jí)的電池在與組中的其他電池相比較時(shí)可能以更快的速率放電或充電。(一個(gè)或多個(gè))降級(jí)的電池在操作期間的溫度在與健康電池相比時(shí)可能具有更多的變化,并且可能導(dǎo)致諸如熱逃逸之類的不安全狀況。
某些電池組被用來(lái)在其中安全具有最高重要性的應(yīng)用中輸送電力。例如,許多電池組被用于現(xiàn)代“多電飛機(jī)”(mea)中。為了保證此類飛機(jī)的安全操作,給機(jī)組人員提供飛機(jī)上的電池組的soh和/或電池不均衡的連續(xù)報(bào)告使得機(jī)組人員可能在電池組的潛在故障的報(bào)告的情況下采取修正動(dòng)作將是所期望的。
如可以看到的,存在對(duì)使能在諸如飛機(jī)之類的環(huán)境中的電池組的安全使用的系統(tǒng)的需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
在本發(fā)明的一個(gè)方面中,一種用于保證電池組的安全使用的系統(tǒng)包括:開關(guān),其將電池組連接到dc電力系統(tǒng);顯示單元;健康狀態(tài)(soh)監(jiān)視器,其被連接到電池組,soh監(jiān)視器包括處理器以及存儲(chǔ)器塊,所述存儲(chǔ)器塊包括具有被存儲(chǔ)在其上的指令的非瞬時(shí)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),所述指令在被處理器執(zhí)行時(shí)執(zhí)行以下步驟:a)指示soh監(jiān)視器在電流流動(dòng)循環(huán)開始時(shí)測(cè)量電池組的端電壓;b)指示soh監(jiān)視器在電流流動(dòng)循環(huán)完成之后測(cè)量電池組的端電壓;c)指示soh監(jiān)視器在電流流動(dòng)循環(huán)完成之后連續(xù)地重新測(cè)量電池組的端電壓直至連續(xù)地重新測(cè)量的端電壓中的一個(gè)等于重新測(cè)量的端電壓中的先前的一個(gè)為止;d)指示soh監(jiān)視器確定并記錄在步驟a)與c)之間的時(shí)間段期間通過電池組的安培-小時(shí)(ah);e)指示soh監(jiān)視器根據(jù)在步驟a)和c)中確定的端電壓之間的差除以在步驟d)中確定的ah的商來(lái)確定電池組的soh;以及f)指示soh監(jiān)視器將在步驟e)中確定的soh發(fā)送到顯示單元,用于作為電池組的更新的soh的顯示;其中開關(guān)可操作成在顯示單元指示電池組的soh在預(yù)定值以下時(shí)將電池組從dc電力系統(tǒng)斷開。
在本發(fā)明的另一方面中,一種用于控制飛機(jī)上的電力分配的裝置包括:用于飛機(jī)的引擎的起動(dòng)電動(dòng)機(jī);dc電力系統(tǒng),其被連接到起動(dòng)電動(dòng)機(jī);電池組;第一開關(guān),其將電池組連接到dc電力系統(tǒng);第二開關(guān),其用于將起動(dòng)電動(dòng)機(jī)連接到外部電源;健康狀態(tài)(soh)監(jiān)視器,其被連接到電池組;顯示單元,其被連接到soh監(jiān)視器用于顯示電池組的soh;以及斷開控制單元,其被配置成在所顯示的電池組的soh在預(yù)定值以下的情況下斷開第一開關(guān)并閉合第二開關(guān)。
在本發(fā)明的又一方面中,一種用于保證dc電力系統(tǒng)中的電池組的安全使用的方法包括以下步驟:確定電流流動(dòng)循環(huán)期間的電池組的n個(gè)電池的端電壓改變值;確定電流流動(dòng)循環(huán)期間的電池的端電壓改變值;將電池組電壓改變值除以n個(gè)電池電壓改變值中的每個(gè)以得出n個(gè)電池的端電壓改變指數(shù);確定n個(gè)電池的端電壓改變指數(shù)是否相等;在n個(gè)端電壓改變指數(shù)中的任何的不相等的情況下生成電池不均衡顯示;在所述不相等的情況下將電池組從dc電力系統(tǒng)斷開。
參考以下圖、描述和權(quán)利要求,本發(fā)明的這些及其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將被更好地理解。
附圖說明
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于保證電池組的安全使用的系統(tǒng)的框圖;
圖1a是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的用于保證電池組的安全使用的系統(tǒng)的框圖;
圖2是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的圖1的系統(tǒng)的健康狀態(tài)(soh)監(jiān)視器的框圖;
圖3是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的圖1的系統(tǒng)的電池組的時(shí)間對(duì)電池組電壓的圖;
圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的圖1的系統(tǒng)的電池組的電等效2-rc模型;以及
圖5是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于保證電池組的安全使用的方法的流程圖;以及
圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的用于保證電池組的安全使用的方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下詳細(xì)描述具有執(zhí)行本發(fā)明的最佳當(dāng)前設(shè)想模式。描述不應(yīng)在限制性意義上被理解,而僅出于說明本發(fā)明的一般原理的目的被做出,因?yàn)楸景l(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求最佳地定義。
下面描述了每個(gè)可以相互獨(dú)立地或者與其他特征組合地使用的各種發(fā)明特征。
本發(fā)明一般地提供了一種用于保證電池組的安全使用的系統(tǒng)。更特別地,本發(fā)明提供了在電池組被安裝且可操作時(shí)監(jiān)視并顯示soh以確定是否應(yīng)終止電池組的繼續(xù)使用。仍進(jìn)一步地,本發(fā)明提供了監(jiān)視單獨(dú)電池的soh和電池組的電池不均衡以確定是否應(yīng)將電池組從dc電力系統(tǒng)斷開。
現(xiàn)在參考圖1,圖示了用于電池組102的安全控制系統(tǒng)100的示例性實(shí)施例??刂葡到y(tǒng)100可包括被耦合到電池組102和電池組102的單獨(dú)電池108的健康狀態(tài)監(jiān)視器104(在下文中為soh監(jiān)視器104)。可將顯示單元112耦合到soh監(jiān)視器104。斷開控制(control)114可以被連接以操作斷開接觸器或開關(guān)116以將電池組102從dc功率系統(tǒng)118斷開。如果電池組102內(nèi)的不安全狀況或電池組102的soh在預(yù)定值以下,則可將電池組102從dc電力系統(tǒng)118斷開。
現(xiàn)在參考圖1a,圖示了如其可能被用在(未示出的)飛機(jī)中的電池組安全控制系統(tǒng)200的示例性實(shí)施例。系統(tǒng)200可能與系統(tǒng)100不同在于斷開控制214可以被連接以操作開關(guān)116和第二開關(guān)117兩者。當(dāng)開關(guān)116斷開且開關(guān)117閉合時(shí),可將電池組102從飛機(jī)的(未示出的)引擎的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)(startermotor)119斷開。在電池組102的soh低于預(yù)定值的情況下,然后可以從外部電源121對(duì)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)119供電。
系統(tǒng)200在可在短距離操作中采用的飛機(jī)中可以是有用的。機(jī)組人員可從顯示單元112觀察到電池組102的soh可能是低的,但是仍在預(yù)定替換極限以上。在那種情況下,機(jī)組人員可選擇使用外部電源121用于驅(qū)動(dòng)飛機(jī)的輔助電力單元(apu)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)119,而不是將機(jī)載電池組102用于此類apu啟動(dòng)。以該方式,機(jī)組人員可延長(zhǎng)電池組102的有用壽命并且避免了對(duì)未安排的電池組替換的需要。換言之,可延遲低soh電池組的替換直至飛機(jī)被停止使用以用于有規(guī)律的被安排的維護(hù)為止。
現(xiàn)在參考圖2,框圖圖示了soh監(jiān)視器104的示例性實(shí)施例。soh監(jiān)視器104可包括具有電壓傳感器122、電流傳感器124和溫度傳感器126的測(cè)量塊120。測(cè)量塊120可以被適配成從電池組102取得在線測(cè)量結(jié)果。soh監(jiān)視器104還可包括具有非易失性存儲(chǔ)器132和處理器136的計(jì)算機(jī)128。
現(xiàn)在參考圖1和2,可看到的是可將電池組102的單獨(dú)電池108連接到soh監(jiān)視器104。更特別地,單獨(dú)電池108可被連接到soh監(jiān)視器104的電池測(cè)量塊106。電池測(cè)量塊106可包括被單獨(dú)地耦合到n個(gè)電池108中的每個(gè)的多(n)個(gè)電壓傳感器140。
在操作中,每當(dāng)電池組102經(jīng)歷由充電或放電引起的電流流動(dòng)的循環(huán)的完成時(shí),soh監(jiān)視器104可執(zhí)行soh確定。此類循環(huán)可包括電流流動(dòng)的發(fā)起,隨后是電流流動(dòng)的終止。在某些應(yīng)用中,電池組102可經(jīng)歷電流流動(dòng)的多個(gè)循環(huán),在循環(huán)之間具有相對(duì)短的時(shí)間段。例如,電池組102可向負(fù)載提供電力達(dá)五分鐘的時(shí)段,并且然后在僅幾秒上的流逝之后,電池組102可再次地向負(fù)載提供電力達(dá)五分鐘的時(shí)段??蓪⒋祟惪焖俚刈兓⒅貜?fù)的負(fù)載供電視為動(dòng)態(tài)操作模式。
替代地,可將電池組102安裝在諸如飛機(jī)之類的運(yùn)載工具中,其可被停放在終點(diǎn)處達(dá)一小時(shí)的時(shí)段或更多,在該時(shí)間期間電池組102可能不經(jīng)受電流流動(dòng)的任何循環(huán)。在此類背景下,可以以可在時(shí)間上通過幾小時(shí)的時(shí)段間隔開的間隔使電池組102經(jīng)受電流流動(dòng)循環(huán)。換言之,電流流動(dòng)循環(huán)可在時(shí)間上通過休息時(shí)段被分離。此類操作模式在本文中可稱為休息操作模式。
soh監(jiān)視器104可利用第一soh估計(jì)技術(shù),用于在電池組102的休息操作模式期間針對(duì)電流流動(dòng)的循環(huán)確定soh。當(dāng)電流流動(dòng)的循環(huán)發(fā)生在電池組102的動(dòng)態(tài)操作模式的背景下時(shí),soh監(jiān)視器104可利用第二soh估計(jì)技術(shù)。
現(xiàn)在參考圖3,曲線圖300圖示了電池組102在休息操作模式中經(jīng)歷電流流動(dòng)的循環(huán)時(shí)的電池組102的時(shí)間對(duì)電池組電壓關(guān)系。隨著電池組102放電,可觀察到歸因于以下現(xiàn)象的端電壓中的改變:
1.vd(res)–歸因于放電開始時(shí)的串聯(lián)歐姆電阻的電壓中的瞬時(shí)下降;
2.vd(pol+dis1)–歸因于極化和放電現(xiàn)象的組合效應(yīng)的電壓中的下降;
3.vd(dis2)–僅歸因于放電現(xiàn)象的電壓中的下降;
4.vr(res)–歸因于放電結(jié)束時(shí)的串聯(lián)歐姆電阻的電壓中的瞬時(shí)上升;以及
5.vr(depol)–歸因于休息時(shí)段期間的去極化現(xiàn)象的電壓中的上升。
項(xiàng)“vd(pol+dis1)”可被分解成兩個(gè)分量“vd(pol)”和“vd(dis1)”。分量“vd(pol)”可表示歸因于極化效應(yīng)的電壓下降,并且“vd(dis1)”可表示歸因于極化時(shí)段期間的電荷輸送現(xiàn)象的電壓下降。在上面列出的五個(gè)現(xiàn)象之中,僅“vd(dis1)”和“vd(dis2)”分量表示由于電荷輸送現(xiàn)象而失去的端電壓。其他分量不與電荷輸送現(xiàn)象相關(guān)聯(lián),但是其仍可影響端電壓中的總改變。
輸送或接收到的每安培-小時(shí)(ah)的端電壓下降或增益隨電池組健康而改變。因此,可根據(jù)以下表達(dá)式來(lái)確定soh函數(shù),
在該背景下,如果項(xiàng)“δvbat”表示僅歸因于放電或充電操作期間的電荷輸送現(xiàn)象的端電壓中的改變,則soh被最準(zhǔn)確地確定。但是,放電操作期間的端電壓中的總下降由以下給出:
δvbat(total)=vd(res)+vd(pol)+(vd(dis1)+vd(dis2))=總電壓下降(2)
其中,vd(res)=歸因于串聯(lián)歐姆電阻的電壓中的瞬時(shí)下降;
vd(pol)=歸因于極化效應(yīng)的電壓中的下降;以及
vd(dis1)+vd(dis2)=歸因于電荷輸送現(xiàn)象的電壓中的下降。
作為實(shí)際問題,在上面等式中分離并提取僅歸因于電荷輸送現(xiàn)象的電壓下降(即“vd(dis1)+vd(dis2)”)可能不是可能的。代之以,可使用發(fā)生在放電或充電操作之后的上升的電壓分量來(lái)補(bǔ)償或抵消前兩項(xiàng)。
在放電結(jié)束時(shí)在電池組端電壓中可存在瞬時(shí)電壓上升“vr(res)”。這可以在量值(magnitude)上等于在放電操作開始時(shí)觀察到的瞬時(shí)下降并在極性上與所述瞬時(shí)下降相反。因此,“vr(res)”分量可以補(bǔ)償“vd(res)”。
vr(res)=-vd(res)(3)
并且,發(fā)生在電流流動(dòng)循環(huán)之后的去極化可補(bǔ)償發(fā)生在電流流動(dòng)循環(huán)開始時(shí)的極化效應(yīng)。如果電池組102在電流流動(dòng)循環(huán)之后充分地休息,則電池組102可在休息時(shí)段期間被去極化到其在電流流動(dòng)循環(huán)期間被極化的相同程度。歸因于極化的電壓下降“vd(pol)”等于去極化期間的電壓上升“vr(depol)”。
vr(depol)=-vd(pol)(4)
放電操作期間的端電壓中的凈改變由以下給出,
δvbat=vd(res)+vd(pol)+(vd(dis1)+vd(dis2))+vr(res)+vr(depol)(5)
因此
使用等式(3)和(4),重寫等式(6),
可以注意到,上面描述的休息模式估計(jì)技術(shù)的準(zhǔn)確度可取決于連續(xù)電流流動(dòng)循環(huán)之間的充分長(zhǎng)的休息時(shí)段的發(fā)生。如下文中解釋的和圖5中圖示的那樣,可將休息時(shí)段的長(zhǎng)度的此類充分性確定成在電流流動(dòng)循環(huán)結(jié)束時(shí)的vr(depol)的連續(xù)測(cè)量結(jié)果(參加圖3)彼此相等時(shí)存在。
如果電池組102在連續(xù)電流流動(dòng)循環(huán)之間僅有不充分休息時(shí)段的情況下操作,則可執(zhí)行第二或動(dòng)態(tài)模式估計(jì)技術(shù)??梢砸耘c在美國(guó)專利申請(qǐng)公開2013/0138369中描述的方式類似的方式來(lái)執(zhí)行該動(dòng)態(tài)模式估計(jì),該公開被通過引用整體地結(jié)合到本文中。在動(dòng)態(tài)模式估計(jì)技術(shù)中,計(jì)算機(jī)128可采用存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器132中的電池組動(dòng)態(tài)模型130。電池組動(dòng)態(tài)模型130可包括在電池組102脫機(jī)時(shí)在各種溫度、端電壓和電流處確定的參數(shù)rs、cst、rst、clt和rlt的各種值。參數(shù)可以是圖4中圖示的電池組模型133的元素。
計(jì)算機(jī)128可包括被適配成從測(cè)量塊120接收在線測(cè)量結(jié)果并被適配成使用以下等式來(lái)在線計(jì)算開路電壓的處理器134,
voc=vbat+δvr+δvp(8)
其中
vbat=電池組端電壓;
δvr=歸因于電池組電阻電壓下降;
δvp=歸因于極化現(xiàn)象的電壓下降;以及
其中使用以下等式計(jì)算δvp,
其中,通過將在線測(cè)量結(jié)果與電池組動(dòng)態(tài)模型130相比較而根據(jù)電池組動(dòng)態(tài)模型130確定rs、cst、rst、clt和rlt的值。
可通過處理器134內(nèi)的數(shù)學(xué)濾波的遞歸應(yīng)用來(lái)增強(qiáng)voc的得到的計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中,可采用以下自適應(yīng)濾波器等式:
狀態(tài)估計(jì)等式(時(shí)間更新):
輸出等式
狀態(tài)修正等式(測(cè)量更新):
其中
rser是電池組的歐姆電阻;
q是電池組的全容量;
然后可以通過采用根據(jù)上面描述的動(dòng)態(tài)模式估計(jì)技術(shù)確定的voc的值、以在美國(guó)專利申請(qǐng)公開2013/0138369中描述的方式來(lái)確定電池組102的soh。
現(xiàn)在參考圖5,流程圖圖示了用于保證電池組的安全使用的方法500的示例性實(shí)施例。方法500可采用休息模式soh估計(jì)技術(shù)和動(dòng)態(tài)模式soh估計(jì)技術(shù)中的任一者或兩者。在步驟502中,可在電流流動(dòng)循環(huán)開始時(shí)測(cè)量電池組的端電壓(例如,可由soh監(jiān)視器104的電壓傳感器122來(lái)測(cè)量端電壓)。在步驟504中,可在電流流動(dòng)循環(huán)結(jié)束時(shí)測(cè)量電池組的循環(huán)結(jié)束端電壓(例如,可由電壓傳感器122來(lái)測(cè)量圖3的vr(depol))。在步驟506中,可重新測(cè)量循環(huán)結(jié)束端電壓(例如,可由電壓傳感器122來(lái)重新測(cè)量圖3的vr(depol))。在步驟508中,可將步驟504的循環(huán)結(jié)束端電壓與步驟506的循環(huán)結(jié)束端電壓相比較。如果步驟504的測(cè)量到的電壓不等于步驟506的測(cè)量到的電壓,則可連續(xù)地重復(fù)步驟506和508直至發(fā)現(xiàn)步驟504和506的電壓相等為止。步驟506和508的電壓測(cè)量結(jié)果的相等可指示經(jīng)過了足以保證估計(jì)的休息模式可被適當(dāng)?shù)夭捎玫臅r(shí)間。
在步驟510中,可做出關(guān)于新的電流流動(dòng)循環(huán)是否在步驟508中實(shí)現(xiàn)重新測(cè)量的端電壓相等之前已開始的確定。在那種情況下,可根據(jù)soh估計(jì)的動(dòng)態(tài)模式在步驟512中估計(jì)電池組的soh。如果在步驟508中發(fā)現(xiàn)步驟504和506的循環(huán)結(jié)束端電壓相等,則可根據(jù)soh估計(jì)的休息模式在步驟514中估計(jì)電池組的soh。
如果步驟514被執(zhí)行,則在步驟516中,可以以在步驟514中確定的標(biāo)稱值來(lái)顯示休息模式soh估計(jì)。如果步驟512被執(zhí)行,則在步驟518中,可以利用在步驟512中確定的實(shí)際soh的經(jīng)調(diào)整值來(lái)顯示soh的動(dòng)態(tài)模式估計(jì)。與動(dòng)態(tài)模式soh估計(jì)相比,休息模式估計(jì)可能具有準(zhǔn)確的較高可能性。因此,可以調(diào)整動(dòng)態(tài)模式soh估計(jì)以慮及潛在的誤差裕度。例如,經(jīng)調(diào)整的動(dòng)態(tài)模式soh值可能比通過休息模式估計(jì)技術(shù)確定的標(biāo)稱soh值低約0.01%至約0.015%。在步驟520中,如果電池組的soh在預(yù)定值以下,則可以將電池組從dc電力系統(tǒng)斷開。
現(xiàn)在參考圖6,流程圖圖示了用于保證電池組的安全使用的另一示例性方法600。方法600可以與方法500不同在于電池組的單獨(dú)電池的電池不均衡和soh值被監(jiān)視和顯示。在步驟602中,可在電流流動(dòng)循環(huán)期間確定n個(gè)電池中的每個(gè)的端電壓改變(例如,可以用電池測(cè)量塊106的n個(gè)電壓傳感器122來(lái)測(cè)量端電壓改變)。可以與步驟602同時(shí)地執(zhí)行步驟604。在步驟604中,可在電流流動(dòng)循環(huán)期間確定電池組的端電壓改變(例如,可以在步驟602中測(cè)量端電壓改變的相同電流流動(dòng)循環(huán)期間用測(cè)量塊120的電壓傳感器122來(lái)測(cè)量端電壓改變)。
在步驟606中,在步驟602和604中測(cè)量的電壓改變可以被組合以根據(jù)以下表達(dá)式得出(develop)n個(gè)電池中的每個(gè)的端電壓改變指數(shù)(index):
在步驟608中,可以做出關(guān)于用于所有n個(gè)電池的端電壓改變指數(shù)是否相等的確定。在步驟610中,在n個(gè)端電壓改變指數(shù)中的任何的不相等的情況下可以生成電池不均衡顯示。在步驟610中,還可以顯示一個(gè)或多個(gè)降級(jí)的電池的身份??筛鶕?jù)以下表達(dá)式來(lái)確定n個(gè)電池中的每個(gè)的soh;
在步驟614中,可以顯示n個(gè)電池中的每個(gè)的soh(例如,可采用圖1的顯示單元112來(lái)顯示來(lái)自步驟614的soh信息)。在步驟616中,如果存在高不均衡,則可生成斷開警報(bào)(例如,如果電池不均衡超過約0.1伏至約0.15伏,則顯示單元可提供高不均衡顯示)。在那種情況下,可以執(zhí)行其中可將電池組從dc電力系統(tǒng)斷開的步驟618。
向后參考圖1,可看到,用顯示單元112上的電池組相關(guān)信息的此類集合,顯示單元112的觀察者可具有做出關(guān)于是否允許電池組繼續(xù)執(zhí)行其角色的實(shí)時(shí)決定的機(jī)會(huì)??紤]例如電池組102被安裝在飛機(jī)中。如果顯示單元112示出了已得出超過約0.1至約0.15伏的電池不均衡狀況,則機(jī)組人員可能選擇操作斷開控制114。電池組102然后將被從dc電力系統(tǒng)118斷開,并且電池組102的過熱的風(fēng)險(xiǎn)可能被排除。
當(dāng)然,應(yīng)理解,前述涉及本發(fā)明的示例性實(shí)施例并且可以在不脫離如在以下權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出修改。